Múltiplas Ressonâncias para Indutores com Núcleo

Ressonâncias em componentes são um tópico bem conhecido para projetistas eletrônicos ao trabalhar em altas frequências (por exemplo, EMI/EMC). Não se esqueça de testar seus componentes com um analisador de impedância, especialmente se forem componentes magnéticos personalizados.

Os projetistas que trabalham em altas frequências sabem que a impedância dos componentes em função da frequência não é ideal. Isso é crítico ao tentar projetar circuitos em altas frequências como, por exemplo, em sistemas sem fio de RF ou projeto EMI/EMC.

Primeiro, ao aprender os fundamentos da teoria de circuitos, você trabalha com capacitâncias, indutâncias, resistências, etc. Então, ao tentar construir seus circuitos, você substitui esses elementos ideais por capacitores, indutores, resistores, etc.

Se o componente real for equivalente ao elemento ideal, o circuito funcionará conforme o esperado pela teoria. Mas, se o comportamento do componente não for o ideal, você pode obter resultados inesperados e precisa encontrar um modelo mais complexo para isso.

Na Figura 1 você pode ver um gráfico típico (medida) da impedância de um capacitor e um indutor. A resposta de um capacitor real não é ideal (Figura 1, à esquerda) e, na frequência auto-ressonante SRF=1,18MHz (fase 0º) o capacitor muda de uma resposta capacitiva ideal (1/ωC) para uma resposta indutiva (ωL) porque os parasitas no componente.

Figura 1: Impedância de um capacitor (esquerda) e um indutor (direita).

A resposta de um indutor real não é ideal (Figura 1, direita), na frequência auto-ressonante SRF=1,87MHz (fase 0º) o indutor muda de uma resposta indutiva ideal (ωL) para uma resposta capacitiva (1/ωC) porque os parasitas no componente.

Isso porque, ao projetar circuitos RF/EMI (filtros, redes de desacoplamento, etc.) consideramos circuitos ressonantes equivalentes típicos em série e paralelo (Figura 2).

Figura 2: Modelo típico para um capacitor (esquerda) e para um indutor (direita).

Um caso muito interessante é encontrado em muitos indutores com núcleo como os usados ​​em circuitos eletrônicos de potência com núcleos empilhados e cabos multifios (Figura 3): transformadores, circuitos corretores de fator de potência, filtros EMC, etc.

Figura 3: Um indutor típico com núcleos empilhados e cabo multifio

A resposta de impedância em frequência para esses indutores oferece várias ressonâncias conforme mostrado na Figura 4. Observe que o componente oferece várias frequências de ressonância (não apenas uma).

Figura 4: Resposta típica para um indutor com núcleos empilhados e cabo multifio.

Para o projetista, é difícil modelar o componente porque vários circuitos ressonantes em série e paralelo serão necessários para reproduzir esse comportamento (um modelo realmente complexo). Alguns projetistas usam parâmetros s para modelar o componente, mas tome cuidado com a não linearidade como saturação. Por que essas ressonâncias são perigosas?

Porque para EMI/EMC, os indutores são usados ​​muitas vezes em série (filtros passa-baixo, indutor PFC, etc.). A ideia é oferecer baixa impedância em baixas frequências e alta impedância em altas frequências.

Mas, se você pensar em ressonâncias para os marcadores 2, 4 e 6, nessas frequências o componente oferece baixa impedância ("curto-circuito") então você encontrará um aumento nas emissões nessas frequências. Em nosso exemplo 10,9MHz, 31,4MHz e 61,2MHz

Se você não medir a resposta de seu indutor em seu analisador de impedância, será difícil entender por que as emissões são especialmente ruins nessas frequências.

A situação pode ser resolvida de várias maneiras, por exemplo, trocando o indutor, substituindo os núcleos por núcleos com perdas nessas frequências (as ressonâncias serão com Q baixo), modificar a estratégia de enrolamento, etc.

Meu conselho final: teste seus indutores com núcleos empilhados para comparar as emissões com suas frequências ressonantes. Às vezes você ficará surpreso com essa comparação.

Arthur médio recebeu seu M.Sc. (1990) e seu Ph. D. (1997) em Engenharia Elétrica pela Universidade de Zaragoza (Espanha), onde ocupou o cargo de professor em EMI/EMC/RF/SI desde 1992. Desde 1990, ele esteve envolvido em P&D projetos nas áreas de EMI/EMC/SI/RF para comunicações, indústria e aplicações científicas/médicas com uma sólida experiência em treinamento, consultoria e solução de problemas para empresas na Espanha, EUA, Suíça, França, Reino Unido, Itália, Bélgica, Alemanha, Canadá, Holanda, Portugal e Singapura. Ele é o fundador do The HF-Magic Lab®, um laboratório especializado para design, diagnóstico, solução de problemas e treinamento nos campos EMI/EMC/SI e RF no I3A (Universidade de Zaragoza), e desde 2011 é instrutor de Besser Associates (CA, EUA) oferece cursos públicos e presenciais em assuntos EMI/EMC/SI/RF nos EUA, especialmente no Vale do Silício/Área da Baía de São Francisco. Ele é Membro Sênior do IEEE, membro ativo de 1999 (Chair 2013-2016) do Comitê Técnico MTT-17 (HF/VHF/UHF) da Microwave Theory and Techniques Society e membro da Electromagnetic Compatibility Society. Arturo pode ser contatado em [email protected]. Web: www.cartoontronics.com.